CN106961011B - 超宽带全向微带天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体为一种超宽带全向微带天线阵列。该天线阵列包含：介质基板、四对偶极子天线、四对引向器、一分四功分器和宽带巴伦结构；所述的四对偶极子按2x2结构的排布，通过一分四功分器与宽带巴伦的一端连接，宽带巴伦另一端连接到SMA接头，四对引向器分别位于对应的四对偶极子的前方；所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂，这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面；两个偶极子臂结构相同，并为中心对称。本发明天线阵列可改善天线全向辐射特性，具有超宽带、高全向性特性，同时结构简单、低成本、易于加工。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种超宽带全向微带天线阵列。
背景技术
现代无线通信系统的发展与天线技术的进步密不可分，而全向天线可以在水平面内360º均匀辐射电磁波（即增益不圆度不超过3 dB），因此多应用于大范围覆盖，单点对多点通信系统中，如日常生活的广播电视、移动通信射频识别等场合；军事上全向天线应用于卫星通信，雷达传感器网络等领域。Ku波段主要应用于卫星通讯以及航空领域（如机场地面交通定位、机载wi-Fi）等。
近几十年来研究者们设计了各种类型的全向天线，主要分为单极子天线及变形；偶极子天线及变形；共轴天线等。但受制于Ku波段频率较高，电尺寸小，所设计的全向天线大多工作在较低频段（如L波段、X波段等），仅有的工作在Ku波段的全向天线又无法同时满足高增益、超宽带、轻质、易组阵等特性。通过对现有技术文献的检索发现中国专利“一种Ku波段全向天线”（申请号201210288659.2），涉及一种工作在Ku波段的全向天线，该天线利用N（N取值5-12）个喇叭天线排列成圆周阵和一个一分N路的功率分配器组成天线整体，每个喇叭天线辐射一定的角度范围，N个喇叭实现360º均匀辐射，然而该天线仅工作在15-17GHz(VSWR<1.5),并未完全覆盖Ku波段(12- 18 GHz),此外相对于微带天线，喇叭天线质量较重，N个喇叭天线组成的天线整体尺寸偏大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型超宽带全向微带天线阵列，天线在整个Ku波段实现360º均匀辐射的同时，整体结构简单、轻质、易加工。
本发明提供的新型超宽带全向微带天线阵列，其结构如图1、图2、图3所示，包括介质基板1、四对偶极子2、四对引向器3、一对一分四功分器4和宽带巴伦5。其中，所述的四对偶极子2按2x2 （即2行2列）结构的排布，通过一分四功分器4和宽带巴伦5的一端连接，宽带巴伦5另一端连接到SMA接头，四对引向器3分别位于对应的四对偶极子2的前方；其中：
所述每一对偶极子2均包含两个偶极子臂，这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板1上表面和下表面；两个偶极子臂结构相同，并为中心对称。这里介质基板可采用罗杰斯5880（下同）。
本发明中，所述的四对偶极子共八个偶极子臂，每个偶极子臂均由两个扇形金属贴片组成，两个扇形贴片宽度相同，长度不同。
本发明中，所述的偶极子臂的两个扇形贴片呈上下分布，从而构成蝴蝶结结构，且长度较长的扇形贴片(为偶极子输入端)与功分器4连接。
本发明中，所述的一对（即两个）一分四功分器4结构相同（例如均为T型结构，先一分二，再二分四），两个一分四功分器4分别刻蚀在介质基板1上、下表面的相同位置。
本发明中，所述的宽带巴伦5包括线性渐变馈线和类半圆形地板，其中线性渐变馈线刻蚀在介质基板1的上表面，类半圆形地板刻蚀在介质基板1的下表面。
本发明中，所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为波长的三分之一到五分之三，类半圆形地板半径为波长的五分之一到三分之一。
本发明中，所述的宽带巴伦5一端阻抗为90欧姆，连接到一分四功分器4的输入端，宽带巴伦5的另一端阻抗为50欧姆，连接到SMA接头。
本发明中，所述的引向器3为矩形金属贴片结构，置于每对偶极子的前方，距离偶极子为波长的六分之一到四分之一，引向器长度为波长的五分之一到三分之一；两个矩形贴片构成一对引向器，这两个矩形贴片分别刻蚀在介质基板1上、下表面相同位置。
本发明中，所述的所用金属贴片均可采用铜箔，厚度宜为0.02—0.05 mm，实施例中，厚度为0.035 mm。
文献检索的结果表明，尚未有微带天线阵列实现覆盖整个Ku频段的全向辐射特性。本发明合理的设计了宽带巴伦结构，发挥了蝴蝶结形偶极子本身具有的宽带特性，同时增加的引向器结构极大的改善了天线阵列的全向辐射特性。仿真结果表明：天线阵列再11.8 –18 GH频率范围内| S11| <-10 dB，相对阻抗带宽超过40%，天线阵列水平面平均增益（即水平面各个角度增益求和取均值）在1.7 dBi到4.1 dBi，整个Ku波段内，不圆度不超过2.5 dB。天线阵列整体尺寸为30×20×0.508mm3 (长×宽×高)，并且具有结构简单、轻质、易加工等优点。
附图说明
图1为本发明新型超宽带全向微带天线阵列整体结构示意图。
图2为本发明新型超宽带全向微带天线阵列正面结构示意图。
图3为本发明新型超宽带全向微带天线阵列反面结构示意图。
图4为本发明新型超宽带全向微带天线阵列S参数仿真结果。
图5为本发明新型超宽带全向微带天线阵列平均增益、不圆度仿真结果。
图6为本发明新型超宽带全向微带天线阵列辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-3所示，本发明提供了一种新型超宽带全向微带天线阵列，中心频率15GHz，整体尺寸30×20×0.508mm3（长×宽×高），本实施例包括：包括介质基板1、四对偶极子2、四对引向器3、一对一分四功分器4、宽带巴伦5。
如图2、3所示，本实施例所述的四对偶极子2按2x2 结构的排布，通过一分四功分器4和宽带巴伦5的一端连接，宽带巴伦5另一端连接到SMA接头，每对偶极子的前方均刻蚀了一对引向器；所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂，分别刻蚀在罗杰斯5880介质1的上表面和下表面；所述的两个偶极子臂结构相同，并为中心对称；罗杰斯介质尺寸20×30mm2，介电常数2.2，损耗正切角0.0009。
如图2、3所示，所述的四对共八个偶极子臂，每个偶极子臂均由两个扇形贴片组成，两个扇形贴片宽度相同，长度不同；所述的两个扇形贴片呈上下分布，从而构成蝴蝶结结构；偶极子臂的长度决定天线的谐振频率，宽度决定阻抗匹配的好坏，偶极子臂的间距影响天线增益，初始尺寸根据经验公式得到，再经过全波仿真软件HFSS v15优化，最终得到偶极子臂的长度7.2 mm，x方向间距7 mm，z方向间距8 mm。
如图2、3所示，所述的一对一分四功分器4结构相同（均为T型结构，先一分二，再二分四），分别刻蚀在罗杰斯5880介质1上、下表面的相同位置，功分器4的输出端连接到偶极子臂的输入端（即长扇形贴片），功分器4的输入端连接到宽带巴伦5。
如图2、3所示，所述的宽带巴伦5包含线性渐变馈线和类半圆形地板，其中线性渐变馈线刻蚀在罗杰斯5880介质1的上表面，类半圆形地板刻蚀在介质的下表面；所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为10 mm，类半圆形地板半径约为6mm；所述的宽带巴伦5一端阻抗约为90欧姆，连接到一分四功分器4的输入端，宽带巴伦5的另一端阻抗为50欧姆，连接到SMA接头。
如图2、3所示，所述的引向器3为矩形贴片结构，长度为4.6 mm，宽度0.5 mm，置于每对偶极子2的前方，距离为3.9 mm；刻蚀在罗杰斯介质1上、下表面相同位置的两个矩形贴片构成一对引向器。
如图4所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量。仿真结果表明本发明的超宽带全向微带天线阵列在11.8–18 GHz频率范围内，|S11|<-10 dB，相对阻抗带宽超过40%，覆盖整个Ku波段。
如图5所示，本实施例所述的频率特性包括平均增益、不圆度参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，左纵坐标代表增益变量，单位dBi，右纵坐标代表不圆度变量。本发明的超宽带全向微带天线阵列平均增益为1.7 dBi到4.1 dBi，不圆度不超过2.5 dB。
如图6所示，本实施例所述的超宽带全向微带天线在12GHz、14GHz、16GHz和18GHz的天线辐射方向图分别如图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)所示，由图可见天线阵列在Ku波段内可以很好地保持H面的全向辐射特性，E面辐射方向图为“8”字型。
本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为Ku波段全向微带天线，改变尺寸可适用于微波波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，包括：介质基板、四对偶极子、四对引向器、一对一分四功分器和宽带巴伦；其中，所述的四对偶极子按2x2结构的排布，通过一分四功分器与宽带巴伦的一端连接，宽带巴伦另一端连接到SMA接头，四对引向器分别位于对应的四对偶极子的前方；
所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂，这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面；两个偶极子臂结构相同，并为中心对称；
所述的四对偶极子共八个偶极子臂，每个偶极子臂均由两个扇形金属贴片组成，两个扇形贴片宽度相同，长度不同。
2.根据权利要求1所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的偶极子臂的两个扇形贴片呈上下分布，构成蝴蝶结结构，且长度较长的扇形贴片为偶极子输入端，与功分器连接。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的一对一分四功分器结构相同，两个一分四功分器分别刻蚀在介质基板的上、下表面的相同位置。
4.根据权利要求3所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的宽带巴伦包括线性渐变馈线和类半圆形地板，其中线性渐变馈线刻蚀在介质基板的上表面，类半圆形地板刻蚀在介质基板的下表面。
5.根据权利要求1、2或4所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为波长的三分之一到五分之三，类半圆形地板半径为波长的五分之一到三分之一。
6.根据权利要求5所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的宽带巴伦一端阻抗为90欧姆，连接到一分四功分器的输入端，宽带巴伦的另一端阻抗为50欧姆，连接到SMA接头。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的超宽带全向微带天线阵列，其特征在于，所述的引向器为矩形金属贴片结构，置于每对偶极子的前方，距离偶极子为波长的六分之一到四分之一，引向器长度为波长的五分之一到三分之一；两个矩形贴片构成一对引向器，这两个矩形贴片分别刻蚀在介质基板上、下表面相同位置。
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